Storia dell’acciaio il re dei metalli pt.2, dai binari al moderno X45CrNiW18-9

Se vi siete persi la prima puntata dedicata al nostro signore supremo l’acciaio, recuperatela QUI immediatasubito che se no poi non ci si capisce niente. Per tutti gli altri, #resilienza.

Allora, continuiamo con il nostro approfondimento a base di ferro e tatuaggi orrendi per capire, comprendere ed imparare ad amare l’acciaio, un materiale che per molti è solo ferro mentre in realtà è un figo pazzesco di cui esistono millemila qualità e tipologie diverse. Avevamo concluso la puntata 1 di questo percorso fatto di ferro e carbonio con l’acciaio di Damasco, probabilmente il primo esempio nella storia dell’uomo di acciaio moderno, prodotto in Medio Oriente e capace di dare vita ad armi leggendarie ma poi, per un motivo o per l’altro, finito nel dimenticatoio, tanto che oggi nessuno ha una chiara idea di come venisse prodotto all’epoca. Ancor più interessante è il fatto che più o meno dalla caduta dell’Impero Romano nel 476 d.C. fino al 1700 e rotti, in Europa, nonostante siano stati sviluppati numerosi metodi di produzione, non si sarebbe più visto acciaio degno di questo nome.

– l’acciaio quello buono in Europa dopo la caduta dell’Impero Romano –

Dopo le svolte arrivate dal Medio Oriente, l’uomo si era dimenticato come fare per controllare in maniera oculata e precisa la quantità di carbonio assorbita dal ferro all’interno delle fornaci e in Europa, fino alla fine del 18esimo secolo, a dominare fu la ghisa, prodotta in quantità vergognose – specialmente in Germania dove fu inventato l’altoforno, nient’altro che una versione più grande, cazzuta e tedesca di quanto sviluppato in Cina 1500 anni prima (lo spieghiamo nella prima puntata di questo articolo) – e utilizzata per armare tutte le nazioni del vecchio continente di cannoni e armi da fuoco, mettendole così nella perfetta condizione di farsi la guerra fra di loro (spoiler per i meno informati: cosa che fecero).

– artiglieri italiani della Prima guerra mondiale in posizione di fronte a quello che potrebbe essere il forte Col Vaccher, vicino Tai di Cadore nel bellunese. Il cannone accanto a questi uomini di altri tempi è un 149/23 in ghisa, all’epoca prodotto dalla Ansaldo e una delle armi maggiormente diffuse presso l’esercito italiano allo scoppio della Grande guerra. Post originale molto interessante QUI –

Tuttavia, per quanto la ghisa andasse bene per affondarsi le navi a vicenda, non era certo il metallo giusto per sostenere la crescente urbanizzazione dell’Europa del XVII secolo per la quale era richiesto un metallo strutturale più versatile (chiedere al signor Eiffel per maggiori informazioni). A questo poi si aggiunse, nel XIX secolo, l’arrivo della ferrovia e la sua incredibile espansione che però andava sostenuta con un metallo che risolvesse una volta per tutte la fragilità della ghisa (non buona per fare i binari) e che potesse essere prodotto in maniera efficiente ed economico. Non solo, ad un certo punto divenne evidente il bisogno di ottenere acciai sempre uguali perché per costruire una nave, un ponte o una torre sarebbe opportuno che i pezzi abbiano tutti la stessa resistenza meccanica.

– una catena è forte quanto lo è la sua maglia più debole –

NOTA 1: spesso mi diverto a prendere per il culo la ghisa ma dobbiamo, qui e ora, spezzare una lancia (di ferro battuto) a suo favore: la ghisa, a differenza dell’acciaio, possiede una eccezionale colabilità. Con la ghisa infatti è possibile ottenere manufatti di sorprendente qualità e complessità mediante colatura del metallo liquido dentro ad opportuni stampi grazie al fatto che il metallo riesce a raggiungere bene tutti gli anfratti, cosa altrimenti impossibile con l’acciaio che avrà tante belle qualità ma fra queste non c’è la colabilità.

– per ottenere un affare del genere in acciaio vi servono almeno un pc, un progettista cad-cam e una fresa a multipli assi –

Bene, dato alla ghisa ciò che è della ghisa, andiamo avanti.

Fino ad allora (inizio XIX secolo), per produrre metalli di buona qualità e in quantità tali da soddisfare il fabbisogno, venivano utilizzati (in linea di massima eh, ricordate che qui non siamo su un testo di ingegneria ma stiamo cercando solo di spandere un po’ di cultura con il badile) due metodi principali, che possiamo riassumere in questo pratico esempio alla portata di tutti:

Supponiamo che volete salare l’acqua della pasta, come fate?

metodo 1 – aggiungete il sale che serve e basta.

metodo 2 – buttate nella pentola un chilo di sale e poi, non saprei nemmeno come (alcuni dicono di usare una patata), cercare di diminuirne la concentrazione fino al punto voluto.

Bene, ricordando quindi che il segreto del buon acciaio sta nell’adeguato controllo del carbonio assorbito dal ferro, il metodo 1 è finalizzato ad aumentare il tenore di carbonio nel ferro migliorandone le proprietà (processo di cementazione, da cementite, nome con cui viene chiamato il carburo di ferro quando assume la particolare composizione Fe₃C, quella dell’acciaio) mentre con il metodo 2 andiamo a diminuire la percentuale di carbonio presente nella ghisa (processo di decarburazione) fino alla soglia desiderata (ricordiamo che quando la percentuale di carbonio all’interno della ghisa scende sotto il 2,06%, questa si trasforma in acciaio).

Nel primo caso – produzione di acciaio per cementazione – di solito si operava riscaldando aste, barre o binari di ferro in presenza di materiali ricchi in carbonio (come carbone o legna) facendo sì che il ferro potesse assorbire carbonio fino al livello desiderato, indurendosi e migliorando le proprie caratteristiche meccaniche. Tuttavia, se ci ragionate un attimo ci si arriva facile, con questo procedimento la superficie dei pezzi si arricchirà in carbonio molto di più che il loro interno (questo sarà vero tanto più il manufatto sarà di dimensioni generose), dando così vita a oggetti dalle proprietà meccaniche non uniformi. Questo processo, se avete fatto l’ITIS, in futuro verrà studiato e analizzato fino a raggiungere lo stato dell’arte con il moderno trattamento termico di carbocementazione, con il quale si effettuano indurimenti selettivi sulla sola superficie degli oggetti.

– le ruote dentate vengono prodotte con un particolare tipo di acciaio – detto acciaio da cementazione, esempio 16CrNi4 o 20MnCr5 – piuttosto povero in carbonio (la percentuale è compresa tra lo 0.16% e il 0,2%) proprio per poter poi subire un trattamento di carbocementazione utile per indurire adeguatamente la superficie dei denti e migliorare così le caratteristiche di resistenza all’usura delle ruote dentate stesse –

– foto al microscopio di un dente di ingranaggio, si vede chiaramente quello che in gergo si chiama “spessore di cementazione”, ovvero lo strato superficiale indurito (=ricco in carbonio) della ruota dentata –

Viceversa, metodo 2, per il processo di decarburazione, si utilizzavano forni a pozzanghera dentro i quali decarburare la ghisa (quindi ridurne il contenuto in carbonio) trasformandola in acciaio ma i metodi usati, empirici e poco precisi, non permettevano neanche lontanamente di avvicinarsi alla qualità vista con gli acciai di Damasco e compagnia.

In questi forni a pozzanghera la ghisa fusa veniva agitata utilizzando lunghi strumenti a forma di remo consentendo all’ossigeno presente nell’aria di combinarsi con il carbonio. Man mano che l’ossigeno reagisce con il carbonio presente nella miscela fusa “evaporando” sotto forma di monossido di carbonio (CO), il punto di fusione del ferro aumenta generando masse di ferro più povero in carbonio che si agglomerano nella parte bassa della fornace. Queste masse venivano poi rimosse e lavorate con un martello da fucina dando loro la forma di lastre o binari destinati all’impiego ferroviario, uno dei più grandi motori dello sviluppo della siderurgia.

– e la 626 muta –

Proprio l’esponenziale crescita della ferrovia durante il 19esimo secolo mise in mostra quanto l’industria siderurgica fosse arretrata e incapace di produrre in maniera efficiente, veloce ed economica metallo di qualità e con buone doti strutturali. Fu proprio questo bisogno a spingere verso una delle più grandi innovazioni che la storia dell’uomo abbia mai visto: Henry Bessemer nel 1856 trovò il modo di introdurre ossigeno nel ferro fuso per ridurre e controllare (regolando la quantità di ossigeno introdotto) il contenuto di carbonio e di altri metalli indesiderati (principalmente silicio e manganese) che, se presenti nell’acciaio in quantità casuali e non controllare, rappresentano un’impurezza.

Il processo, ancora oggi noto come “processo Bessemer”, prevedeva la fusione del ferro all’interno di un grosso contenitore alto 6 metri a forma di pera – denominato “convertitore” – composto di metallo ma con un interno rivestito in materiale refrattario (se no la ghisa fusa fonderebbe il suo stesso contenitore) composto principalmente da quarzo, sabbia silicea e argilla e dentro il quale poteva venir soffiato ossigeno attraverso degli opportuni passaggi. L’aria reagiva così con diversi elementi presenti nella miscela fusa – principalmente silicio e manganese – formando scorie che si solidificavano e, siccome più leggere, venivano a galla e quindi rimosse ma anche con il carbonio, formando monossido di carbonio ed “evaporando” dall’alto del convertitore sospinta dal flusso d’aria.

– convertitore Bessemer esposto a mò di opera d’arte a Pittsburgh –

– schema di un convertitore Bessemer: A convertitore in posizione verticale, B carica del convertitore, C processo di conversione della ghisa in acciaio, D scarico del pentolone. Al punto C la piastra da cui viene insufflata aria: i fori piccoli e la pressione dell’aria (250 kPa, ca. 2,5 atm) impediscono al metallo fuso di colare attraverso di loro –

Adesso viene la figata che ogni RollingSteeler aspetta con ansia: dopo aver caricato il convertitore con ghisa liquida a 1200°C – 1300°C proveniente direttamente dall’altoforno si inizia a soffiare aria (non ossigeno puro) dai numerosi ugelli presenti nel fondo del convertitore. L’arrivo dell’aria, che dalla parte bassa fluisce attraverso il metallo fuso, dà il via a numerose reazioni chimiche di ossidazione con i metalli presenti nella miscela (principalmente silicio, carbonio, manganese e fosforo) alcune delle quali molto esotermiche (ovvero reazioni che producono calore) e tali da far alzare la temperatura all’interno del convertitore di altri 300°C – 400°C e dare così il via alla reazione di conversione.

In tutto ciò il controllo del processo di conversione si basa – lo dico al presente perché, per quanto molto poco, ancora oggi il procedimento Bessemer viene utilizzato – sull’osservazione del colore e intensità dei fumi e delle fiamme che escono dalla parte alta del convertitore, una cosa che oggi viene affidata a strumenti tecnologici come termocoppie, sensori ad infrarossi o spettroscopi ma che una volta veniva fatto ad occhio dal capoforno.

– Novembre 1941, Ohio: un convertitore Bessemer si schiarisce la gola –

All’inizio della conversione dalla bocca del convertitore esce solo una nuvola di fumo rosso seguita dalla proiezione di un voluminoso getto di scintille a cui segue una corta fiamma conica di colore scuro che permane dai 5 ai 6 minuti.

– parte iniziale di una conversione Bessemer –

Passati questi 5 o 6 minuti la fiamma aumenta di luminosità e di lunghezza arrivando fino a 9 metri e nel contempo il materiale all’interno del convertitore entra in ebollizione con forti boati. Questi fenomeni sono dati dall’innesco della reazione di decarburazione (che dura circa 9 minuti) e dalla rapida formazione di monossido di carbonio.

– fiammata finale del processo –

Successivamente la fiamma si placa rapidamente tornando corta, opaca e di color porpora, indicando che il materiale da ossidare è terminato e che quindi è possibile interrompere l’afflusso di ossigeno dalla parte bassa del forno. A questo punto si può portare il convertitore in posizione orizzontale per eliminare così la scoria presente in superficie (composta da diversi ossidi, principalmente Silice e ossido di manganese che fondono rispettivamente a 1.710°C e 3.127°C) e analizzare la quantità di carbonio presente nel ferro. A seconda dell’acciaio che si vuole ottenere – e quindi di quanto carbonio deve avere – si esegue quindi una ricarburazione inserendo nel convertitore una quantità precisa di un particolare composto chiamato “ghisa speculare”, una lega di ferro e carbonio contenente anche una discreta percentuale di manganese, utile per regolare la percentuale di ossigeno (presente sotto forma di ossido ferroso FeO) all’interno della lega. L’ossigeno infatti, a meno di averlo in quantità precise e determinate per alcuni utilizzi specifici (tipo gli acciai rapidi risolforati), viene considerato un elemento dannoso in quanto la sua presenza aumenta la fragilità del metallo e in generale, ne degrada le caratteristiche meccaniche.

– buono ma non così resistente –

Sviluppato e utilizzato (raramente) ancora oggi, il processo Bessemer non era (e non è) perfetto e permette di ottenere solo acciaio ordinario caratterizzato da valori piuttosto elevati di zolfo, fosforo e azoto (quest’ultimo contenuto nell’aria che viene insufflata e responsabile della fragilità di cui soffre l’acciaio Bessemer) ma ciò che è indubbio è che le basi della moderna industria siderurgica erano state gettate e, perfeziona di qua e sistema di là, grazie a questo procedimento nel giro di pochi anni divenne possibile produrre in grandi quantità e in maniera relativamente economica acciaio di buona qualità pronto per la fucina o il laminatoio, dove sarebbe poi stato lavorato per la sua destinazione d’uso finale.

– campione di acciaio Bessemer risalente al 1860 circa e, indovinate un po’, proveniente dalla volata di un cannone. Niente, alla fine l’unica cosa che l’uomo sembra capace di fare è trovare il modo di tirarsi pietre sempre più grosse, veloci e cattive –

Al processo Bessemer seguirono presto altri procedimenti che puntavano a migliorarne il risultato (tipo il processo Thomas, il Thomas migliorato, il Martin, l’LD e anche gli OLP e LDAC) ma il punto importante è che con Bessemer nasceva l’acciaio moderno. Ancora oggi, oltre 150 anni dopo, circa il 60% dell’acciaio viene prodotto utilizzando processi di tipo LD – Linz e Donawitz, dal nome delle due città nelle quali questo sistema venne messo in opera per la prima volta, rispettivamente nel 1952 e 1953 – nei quali si parte da ghisa greggia in arrivo dall’altoforno e decarburandola in maniera efficace utilizzando ossigeno puro insufflato utilizzando una canna raffreddata a liquido.

– convertitore LD in azione presso le acciaierie Krupp, 2012 ca. –

Questo processo ad oggi è uno dei più utilizzati ed efficaci per produrre acciai di quasi tutte le qualità, dai semplici acciai al carbonio non legati (ovvero il carbonio è l’unico altro elemento presente nella lega oltre al ferro) fino ai più particolari acciai legati, ovvero nei quali sono presenti altri elementi in quantità precise che, esattamente come gli ingredienti di una ricetta, vanno a dare all’acciaio finale questo o quel sapore come il micidiale acciaio X45CrNiW18-9, specialmente indicato per la produzione di valvole per motori a scoppio e caratterizzato da una percentuale di carbonio dello 0,45%, di cromo del 18% (quindi è inossidabile) e di nichel del 10%, a cui aggiungiamo un pizzico di tungsteno che non guasta mai e, in generale, viene utilizzato per migliorare il mantenimento della durezza anche ad alte temperature.

Valvole racing destinate al Toyota 2JZ e prodotte in una lega dal nome commerciale EV8, paragonabile ad un acciaio  (un ottimo acciaio) contenente i seguenti elementi di lega:

Quindi, con quest’ultimo succulento dettaglio, la finisco anche con questa seconda parte dell’articolo dedicato alla storia dell’acciaio e vi rimando a settembre (no dai, uscirà prima) al prossimo articolo nel quale vedremo nel dettaglio (senza esagerare) i vari tipi di acciai, da cosa sono composti e per cosa si usano. Ciao ragaz.

Fonti dell’articolo:
1 – un pizzico del mio sapere
1a – la mia esperienza lavorativa
2 – Alfredo Secciani, Giovanni Villani: Tecnologia e produzione metalmeccanica Vol. 1
3 – Luigi Baldassini: Vademecum per disegnatori e tecnici